Phương pháp gia công điện hóa

Chia sẻ: Nguyễn Sang | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

1.308
lượt xem 322
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đây là phương pháp gia công đặc trưng để gia công những bề mặt có hình dáng nhất định bằng phương pháp ăn mòn điện hóa. Dùng trong khoan lỗ điện hóa hay còn gọi là gia công điện hóa, mài điện hóa, làm sạch bavia bằng điện hóa (hay đánh bóng điện hóa). Bản chất của phương pháp gia công này là không có sự tác động cơ khí của dụng cụ tới bề mặt gia công.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phương pháp gia công điện hóa

TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 1 1. Khái niệm : Đây là phương pháp gia công đặc trưng để gia công những bề mặt có hình dáng nhất định bằng phương pháp ăn mòn điện hóa. Dùng trong khoan lỗ điện hóa hay còn gọi là gia công điện hóa, mài điện hóa, làm sạch bavia bằng điện hóa (hay đánh bóng điện hóa). Bản chất của phương pháp gia công này là không có sự tác động cơ khí của dụng cụ tới bề mặt gia công. 2. Tổng quan về phương pháp gia công điện hóa : Phương pháp gia công điện hóa dựa trên sự hòa tan điện cực dương trong quá trình điện hóa ( điện phân ) trong một pin điện . Hiện tượng điện phân là tên gọi của một quá trình xảy ra khi một dòng điện được truyền qua hai điện cực nhúng trong dung dịch điện phân. Hệ thống bao gồm các điện cực và dung dịch điện phân được gọi là pin điện, phản ứng hóa học xảy ra tại các điện cực gọi là phản ứng catot hoặc phản ứng anot. Ví dụ một điện cực sắt được nối vào nguồn điện một chiều và được nhúng vào dung dịch NaCl. Một ampe kế được đặt trong mạch sẽ cho ta biết dòng điện hiện tại. Với một trị số dòng điện xác định, người ta biết được đặc tính dẫn điện của dung dịch NaCl. Ví dụ phản ứng hòa tan sắt trong dung dịch muối ăn (NaCl). Kết quả của quá trình điện phân: H2O  H+ + (OH)- và NaCl  Na+ + Cl- Các ion âm như (OH)- và Cl- đi về phía anot, còn các ion dương như H+ và Na+ thì đi về phía catot. Tại anot: Fe  Fe++ + 2e Tại catot, phản ứng tương tự tạo ra khí hyđro và ion hyđroxyl: 2H2O + 2e  H2 + 2OH- Kết quả là các ion này tác dụng với ion sắt để tạo thành Fe(OH)2. Fe(OH)2 có thể tác dụng một lần nữa với nước và oxy để tạo ra Fe(OH)3: 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2  Fe(OH)3. Mặc dù được hình thành từ dung dịch điện phân, nhưng các muối trong dung dịch không bị mất đi, chỉ một phần nước bị phản ứng trong quá trình điện phân nhưng để giữ nồng độ dung dịch là hằng số, cần phải thêm nước vào. Với dung dịch điện phân tổng hợp, quá trình điện phân là một quá trình phức tạp trong đó sắt bị hòa tan tại anot, và khí hyđro được tạo ra tại catot. Phương pháp gia công điện hóa lấy kim loại bằng cách hòa tan anot có nhiều thuận tiện so với các phương pháp khác. Kim loại được lấy đi tương tự như hình dáng của điện cực dụng cụ, thậm chí có những hình dáng đặt biệt, kích thước và bề mặt hoàn tất. Bảng Các thông số điển hình của gia công điện hóa Nguồn điện PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 2 Loại Một chiều Điện thế 5 ÷ 30 V (liên tục hoặc xung) Cường độ 50 ÷ 40,000 A Mật độ dòng điện 10 ÷ 500 A/cm2 Loại dung dịch điện phân Thông dụng nhất NaCl: 60 ÷ 240 g/l Thông dụng NaNO3: 120 ÷ 480 g/l Nhiệt độ 20 ÷ 500 C Tốc độ dòng/100 A 1// ph /100 A Tốc độ 1500 ÷ 3000 m/ph Ap suất đầu vào 0,15 ÷ 3 MPa Ap suất đầu ra 0,1 ÷ 0,3 MPa Khe hở làm việc 0,05 ÷ 0,3 mm Tốc độ ăn dao 0,1 ÷ 20 mm/ph Vật liệu điện cực đồng thau, đồng, đồng thiếc Dung sai Chi tiết dạng tấm 0,05 ÷ 0,2 mm Chi tiết dạng khối 0,1 mm Độ nhám bề mặt(Ra) 0,1 ÷ 2,5 mm Một hệ thống gia công điện hóa bao gồm bốn thành phần chính sau: - Máy công cụ. - Nguồn điện. - Hệ thống xử lý dung dịch điện phân khép kín. - Hệ thống điều khiển. Các thông số hoạt động cơ bản của gia công điện hóa là: - Điện thế làm việc dụng cụ cắt (catot) và chi tiết (anot). - Tốc độ ăn dao. - Ap suất vào và ra của dung dịch điện phân hoặc (tốc độ dòng/100 A). - Nhiệt độ vào của dung dịch điện phân. - Cường độ dòng điện sử dụng trong hệ thống gia công điện hóa phụ thuộc vào các thông số trên và kích thước của bề mặt gia công. Trong quá trình gia công điện hóa, sự phân bố của mật độ dòng điện trên bề mặt anot và khe hở giữa các điện cực là rất quan trọng, nó phụ thuộc vào các thông số trên và đặc tính điện hóa của vật liệu chi tiết và điện cực. Tóm lại, những đặc trưng chính của quá trình gia công điện hóa là: - Tốc độ gia công không phụ thuộc vào cơ tính của kim loại mà phụ thuộc vào vật liệu chi tiết. Tốc độ thường đạt được vào khoảng 1200÷2500mm3 cho mỗi 1000A năng lượng cung cấp. - Độ chính xác của gia công điện hóa phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của chi tiết gia công. Độ chính xác đạt được xấp xỉ 0,05÷0,3mm nếu sử dụng dòng liên tục, 0,02÷0,05mm nếu dùng xung. PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 3 - Độ nhám bề mặt giảm khi tăng tốc gia công (cho vật liệu điển hình). Độ nhám bề mặt vào khoảng Ra = 0,1÷2,5mm. - Quá trình gia công điện hóa không tạo ra ứng suất dư trong chi tiết sau khi gia công. - Không có sự hao mòn điện cực (dụng cụ cắt). - Năng lượng tiêu thụ trong quá trình gia công điện hóa khá cao (từ 200J/ mm3 đến 600J/mm3), phụ thuộc vào điện thế và đặc tính điện hóa của vật liệu chi tiết. - Ứng dụng gia công điện hóa trong công nghiệp phải đi song song với vấn đề môi trường. 3. Nguyên lý của quá trình gia công điện hóa : a. Nguyên lý tạo hình điện hóa: Quá trình gia công điện hóa là một quá trình hòa tan anot điện hóa, trong đó một dòng điện một chiều có cường độ cao và điện áp thấp chạy qua giữa chi tiết (được nối với cực dương) và dụng cụ điện cực (nối với cực âm của nguồn). Hai điện cực đều được đặt trong bể dung dịch điện phân. Tại bề mặt anot, kim loại được hòa tan vào các ion kim loại và chi tiết sẽ được sao chép hình dạng của dụng cụ điện cực. Chất điện phân luôn luôn chảy qua khe hở điện cực với vận tốc cao (thường lớn hơn 5m/s), mang theo các ion kim loại và giải nhiệt. Hình Sơ đồ nguyên lý của phương pháp gia công điện hóa Chạy dao đều P vào Bảo vệ ngắn Trao đổi nhiệt Bàn máy Cách điện P ra Lọ vàovà c Bơ Van m Nguồn 1 chiều từ chặn 2-30V Chất Chi điện tiết Cặ n Khi đóng mạch điện và các điều kiện điện phân được chọn hợp lý, dòng điện đi qua bể có tác dụng làm hòa tan kim loại ở anot với một lượng được xác định theo định luật Faraday. Trong khi gia công, thông thường điện cực được cho tiến về phía chi tiết (anot) nhưng luôn đảm bảo tồn tại một khe hở nhỏ. Quá trình điện phân kéo theo sự hòa tan anot và thoát khí hydro ở catot. Lượng chất kết tủa hoặc hòa tan do điện phân tỷ lệ với lượng điện chạy qua. PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 4 Lượng các vật chất kết tủa hoặc hòa tan bằng lượng điện tương đương, tỷ lệ với thành phần hóa trị của chúng (với hợp kim có nhiều nguyên tố khác nhau). Sự phân bố không đồng đều của lượng kim loại bị lấy đi trên bề mặt gia công gây nên các thay đổi hình dáng của chi tiết. Trong quá trình gia công điện hóa lượng kim loại bị lấy đi này cân bằng với vận tốc hòa tan anot Vn. Hình Một số phương pháp cắt trong gia công điện hóa Xét một phần nhỏ bề mặt anot vời điện tích ∆A có dòng điện chạy qua ∆I Gọi ∆I+ là cường độ dòng điện cần thiết cho sự hòa tan kim loại, ta có tỷ số giữa ∆I+ và ∆I được gọi là hiệu suất dòng của sự hòa tan anot: Hiệu suất dòng = ∆I+/ ∆I (4.1) Hiệu suất dòng phụ thuộc hoàn toàn vào vật liệu chi tiết, loại dung dịch điện phân cũng như điều kiện gia công, cường độ dòng điện, nhiệt độ và tốc độ chảy của dung dịch điện phân. Ngoài ra ta có thể tính hiệu suất dòng bằng tỷ số của khối lượng thay đổi thực tế với khối lượng kim loại bị lấy đi lý thuyết được tính bằng định luật Faraday I. Theo định luật Faraday I, khối lượng kim loại bị lấy đi ∆m được tính: ∆m = k. ∆I+.∆t (4.2) Từ ∆I+, từ công thức (4.1) và biểu diễn lượng kim loại bị hòa tan ∆m bằng độ dày của lớp vật liệu ∆h bị lấy đi khỏi bề mặt phần tử ∆A, công thức (4.2) được viết lại: p. ∆h. ∆A = .k. ∆I. ∆t (4.3) hay ∆h = ∆t trong đó pm là tỷ trọng của vật liệu chi tiết. Tốc độ hòa tan cần thiết có thể tính bằng: Vn = ia hay Vn = Kvia (4.4) trong đó ia = là mật độ dòng trên anot. Số hạng Kv = k/p là hệ số thể hiện khả năng gia công điện hóa và bằng thể tích kim loại bị hòa tan khỏi anot trên đơn vị điện tích. Hệ số Kv chỉ có thể xác PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 5 định bằng thực nghiệm bằng nhiều phương pháp khác nhau. Các giá trị của Kv cho các vật liệu khác nhau cho bởi các bảng 4.2 và 4.3. Bảng Kv ở hiệu suất dòng 100% ( = 1) Nguyên tử Kv ở hiệu suất dòng 100%, Kim loại lượng, Hóa trị Tỷ trọng g/cm3 mm3/A,ph g (1) (2) (3) (4) (5) Nhôm 26,98 3 2,71 2,06 Antimon 121,75 3 6,62 3,77 5 2,30 Asen 74,92 3 5.73 2,79 5 1,64 Berilli 9,012 2 1,86 1,5 Bismut 208,98 3 9,8 4,43 5 2,62 Catmi 112,40 2 8,67 4,1 Crôm 51,896 2 7,2 2,25 3 1,51 6 0,75 Coban 58,93 2 8,92 2,05 3 1,38 Niobi 92,906 3 8,59 2,16 4 1,69 5 1,34 Đồng 63,546 1 8,97 4,39 2 2,20 Germani 72,59 4 5,32 2,13 Vàng 196,967 1 19,33 6,40 3 2,13 Hafini 178,49 4 13,1 2,13 Indi 114,82 1 7,31 9,84 2 4,92 3 3,28 Iriđi 192,20 3 22,52 1,80 4 1,31 Sắt 55,847 2 7,86 2,21 3 1,47 Chì 207,19 2 11,36 5,74 4 2,79 Magiê 24,312 2 1,75 4.43 PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 6 Măngan 54,938 2 7,48 2,26 3 1,48 4 1,15 6 0,77 7 0,65 Molypđen 95,94 3 10,22 1,95 4 1,47 6 0,98 Niken 58,71 2 8,92 2,11 3 1,36 Osmi 109,20 2 2,58 2,62 3 1,64 4 1,31 8 0,66 Palađi 106,40 2 12,02 2,79 4 1,31 6 0,98 Bạch kim 195,09 2 21,47 2,79 4 1,47 Rhenium 186,20 3 20,94 2,79 4 1,31 5 1,15 6 0,98 7 0,82 Rođi 102,9 3 12,38 1,80 Bạc 107,9 1 10,50 6,39 Tantali 181 5 16,62 1,31 Tali 204,37 1 11,86 10,66 3 3,61 Thori 232,038 4 11,66 3,12 Thiếc 118,69 2 7,31 5,05 4 2,52 Titan 47,90 3 4,52 2,19 4 1,65 Tungsten 183,85 6 19,31 0,98 8 0,74 Urani 238,03 4 19,09 1,92 6 1,29 Vanađi 50,95 3 6,09 1,74 5 1,05 Kẽm 65,37 2 7,15 2,85 PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 7 Zirconi 91,22 4 6,48 2,13 Bảng Hệ số khả năng gia công điện hóa, giả định hiệu suất dòng là 100%. Kv ở hiệu suất dòng 100% ( = 1) Hợp kim mm3/A.ph 1000 in3/A.ph Thép 4340 2,18 0,133 17 -4 PH 2,02 0,12324 A -286 1,92 0,117139 M252 1,8 0,109818 Rene41 1,77 0,107988 Udimet 500 1,8 0,109818 Udimet 700 1,77 0,107988 L605 1,75 0,106768 Từ định luật Faraday chúng ta có thể xác định lượng kim loại bị lấy đi (MRR, Qv) được định nghĩa bằng lượng bị lấy đi trên một đơn vị thời gian Qv = dm/dt: Qv = Kv.l (4.5) Lượng vật liệu bị lấy đi trong ECM phụ thuộc vào đặc tính điện hóa của vật liệu (Kv) và tỷ lệ với tổng dòng điện. Năng lượng tiêu thụ của một quá trình ECM được xác định là năng lượng cần thiết cho việc hòa tan một đơn vị thể tích vật liệu gia công: dE e= dV Trong khoảng thời gian dt, lượng năng lượng tiêu thụ trong ECM: dE = UIdt, và thể tích vật liệu bị hòa tan là dv = KvIdt, do đó: U e= Kv (4.6) Hiệu suất dòng và Kv phụ thuộc vào dung dịch điện phân và mật độ dòng. Hình 4.7 và 4.8 mô tả hàm Kv = Kv(i), Vn = Vn(i) cho dung dịch điện phân NaCl và NaNO3. Từ đồ thị quan hệ Vn và mật độ dòng i, chúng ta có thể thấy rằng sử dụng dung dịch điện phân NaCl sẽ đạt được lượng kim loại hòa tan cao hơn, nhưng độ chính xác hình dáng lại thấp hơn dung dịch NaNO3. Khi biết phân bố của vận tốc dòng chảy, Vn trên anot là một hàm của thời gian, quá trình hình thành của hình dáng bề mặt có thể mô tả bằng nhiều cách phụ thuộc vào mô tả của bề mặt giả lập. Xét một bề mặt anot được mô tả bởi hàm z = za(x,y,z) trong hệ tọa độ Đêcác (x,y,z) gắn với chi tiết (thường là tĩnh) Độ dịch chuyển của điện cực dương theo hướng trục z được thay thế bởi vận tốc: ∂Z a Vz = ∂t PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 8 Vn ( xa , y a , t ) khai triển: Vz = cos( xa , y a , t ) trong đó xa, ya, z = za(xa, ya, t) là tọa độ của các điểm nằm trên anot và là góc giữa các pháp tuyến bề mặt anot na và trục z. ∂z a ∂z a na = ( , , -1) ∂x ∂y 1 cos a = 1 + ( ∂z a ) 2 + ( ∂z a ) 2 ∂x ∂y (4.7) Thay thế vận tốc phân bố Vz vào trong công thức (4.7) ta được công thức tạo hình điện hóa trong hệ tọa độ Đêcác: ∂z a ∂z a 2 ∂z a 2 = Kv.ia(xa, ya, t) 1+ ( ) +( ) ∂t ∂x ∂y (4.8) Xét trường hợp khi bề mặt anot được mô tả bởi hàm ẩn: F(x,y,z,t) = 0 Đạo hàm hàm ẩn: Df ∂f ∂f dx ∂f dy ∂f dz = + . + . + . =0 dt ∂t ∂x dt ∂y dt ∂z dt Gradien hàm F: ∂f ∂f ∂f ∆ F = grapF = i+ j+ k ∂x ∂y ∂t dx dy dz Ta có: = Vx, = Vy, = Vz dt dt dt là các thành phần của vectơ vận tốc hòa tan Vn: ∂f + ( Vn , ∆f )= 0 ∂t (4.9) Theo công thức (4.7), chúng ta có: Vn K v .ia .na (4.10) ∆f trong đó n a = ∆f = là vectơ pháp đơn vị của bề mặt. Thay thế công thức (4.10) vào công thức (4.9) và đơn giản , ta được: ∂f + Kvia ∆f = 0 (4.11) ∂t Công thức (4.11) và (4.10) mô tả quá trình phát triển của bề mặt chi tiết cho tất cả các PPGC điện hóa. Để giải bài toán này ta cần thiết phải biết điều kiện ban đầu và sự phân bố mật độ dòng ia(xa, ya, t) ở anot trong suốt quá trình gia công. Điều kiện ban đầu là: z = zo(x, y, 0) hay Fo(x,y,0)=0 trong đó zo và Fo là hình dạng của bề mặt trước khi gia công. PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 9 4. Cơ sở lý thuyết : 1) Định luật 1 Faraday : m = KIt/F - Trong đó : m - Lượng kim loại hoà tan (g); I - Cường độ dòng điện (ampe); t - thời gian (giờ); F - hằng số Faraday, và là điện lượng cần thiết để hoà tan 1 đương lượng gam của kim loại F = 96496 colomb ; K - đương lượng điện hoá tức khối lượng của chất (tính bằng mg) được giải phóng khi có 1 điện lượng colomb đi qua dd điện phân. 2) Định luật 2 Faraday : - Các đương lượng điện hoá tỉ lệ với đương lượng gam của các chất được giải phóng trong quá trình điện phân. Đương lượng gam bằng tỉ số giữa trọng lượng nguyên tử A và hoá trị n. Vậy : K =(1/F). (A/n) với đơn vị ; [K] = g/A.s ;g/A.ph ; mm3/A.s ; mm/A.s - Công thức của định luật hợp nhất : m = (1/F). (A/n) . It = K.I.t - Trong thực tế khi gia công kim loại không tinh khiết hoặc các hợp kim của chúng gồm nhiều hợp chất khác nhau (ví dụ thép hợp kim) thì đương lượng điện hoá của chúng được xác định 1 cách tương đối theo các thành phần hợp kim . 5. Máy và dụng cụ gia công : 1) Điện cực dụng cụ – catod : - Vật liệu chế tạo điện cực phải được chế tạo bằng các kim loại có tính dẫn điện cao, độ bền chống rỉ tốt, điển hình như thép không rỉ, thép chịu nhiệt, hợp kim titan, grafit, . . . - Để tạo biến dạng của dụng cụ có thể sử dụng các phương pháp sau : gia công cắt gọt đúc chính xác, mạ chất dẻo, phun kim loại. 2) Dung dịch điện phân : - Vai trò quan trọng của dung dịch điện phân là tạo sự di chuyển của các tia lửa điện bằng các ion giữa các anod và catod. Ngoài ra các ion của dd điện phân còn tham gia tích cực vào các phản ứng điện cực. Dung dịch điện phân được sử dụng để hoà tan liên tục kim loại của chi tiết (anod) do đó thành phần của nó phải được chọn đúng để tránh khả năng tạo các chất không hoà tan gây ra sự trơ hoá bề mặt của chi tiết. Vì vậy sự tồn tại của các ion hoặc các nhóm ion trong dd điện phân phụ thuộc vào các tính chất của nó. 6. Các thông số và khả năng công nghệ : 1) Năng suất gia công : - Năng suất gia công được tính bằng lượng nguyên liệu được lấy đi trong 1 đơn vị thời gian (cm3/phút) và tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện. Như đã xác định theo định luật Faraday, tốc độ tiến của điện cực cũng ảnh hưởng đến năng suất. Tốc độ này là hằng số với dd điện phân thường dùng là NACL, KCL, và NANO3 và nhiệt độ dung dịch từ PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 10 90÷1250C. - Ngoài ra còn các yếu tố như điện áp, khả năng dẫn điện của dung dịch điện phân, vật liệu làm điện cực cũng ảnh hưởng đến năng suất gia công. - Trên hình 4.3 trình bày mối quan hệ với mật độ dòng điện và khe hở giữa dụng cụ và chi tiết. Khe hở này thường có giá trị từ 0,075÷0,75 mm, giá trị mật độ thường là 2,32 đến 3,1 A/mm2 (1500÷2000 A/inch2) và tốc độ bóc vật liệu tương ứng là 16,38 mm3/phút/1000A. 2) Độ chính xác gia công : - Trong quá trình gia công, giữa vật gia công và mặt đầu của điện cực tồn tại khe hở (h). - Trong trường hợp khoan lỗ cụt, thì nó có ảnh hưởng tới độ chính xác và độ sâu của lỗ. Với tốc độ tiến không đổi của điện cực, thì x khe hở là hàm số của điện áp : e = k U δ PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 11 Mối quan hệ giữa khe hở gia công, tốc độ tiến và mật độ dòng điện - Trong thực tế quan hệ đó thay đổi theo đồ thị hình 4.4. - Có thể thấy rằng đồ thị không phải là đường thẳng do ảnh hưởng của những yếu tố khác nhau (như dòng chảy). Có thể rút ra kết luận rằng, bằng cách nâng tốc độ tiến điện cực thì có thể giảm sai số của khe hở, tức là giảm sai số gia công, thậm chí có thể nâng điện áp lên thì sẽ làm khe hở trở nên không đổi. - Dòng điện không những chỉ đi qua khe hở mặt đầu, mà cả ở khe hở giữa thành trong của lỗ với mặt bao quanh điện cực. Ở khe hở này thì tác dụng điện hoá của dòng điện xảy ra chậm hơn. Tốc độ hoà tan tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bề mặt của điện cực. Do đó trường hợp gia công lỗ bằng điện cực hình trụ thì đường sinh của lỗ có dạng PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 12 parabol. Hình 4.4 : Quan hệ giữa điện áp và khoảng cách mặt đầu ( Eh ) của điện cực với tốc độ tiến điện cực (e) khác nhau ( Nguyên vật liệu gia công : thép C45 K=2,2 mm3/A. min) Hình 4.5 : Hình dạng của lỗ gia công bằng điện hóa. e: Tốc độ tiến cực. e : Khe hở điện cực. h: Khe hở mặt đầu. - Kích thước của khe hở trên sẽ là hàm số của độ sâu lỗ như đã trình bày ở hình dưới đây : PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 13 Hình 4.6 : Quan hệ giữa khe hở ( e ) với độ sâu của lỗ (h) với các tốc độ tiến điện cực (e) khác nhau. - Ở đây cũng nhận thấy rằng nếu tăng tốc độ tiến cực thì có thể làm giảm sai số hình dạng. Sai số hình dạng có thể hạn chế bằng cách tạo hình điện cực một cách phù hợp. Nếu bọc cách điện ở chung quanh cho đến cạnh của mặt đầu thì có thể ngăn chặn sự hoà tan ở mặt bên, lỗ sẽ có đường sinh song song. Hình dạng điện cực phổ biến như trên hình 4.7, ở đó, đường kính ngoài của ống nhựa cách điện phải nhỏ để không ngăn cản sự lưu thông của dung dịch. Bán kính vê tròn chu vi ngoài của mặt đầu chỉ là 0,13 - 0,18 mm - Mặt đáy của lỗ không bao giờ bằng phẳng, mà có ụ nổi lên, nếu ta muốn làm nhẵn thì cần có một bước gia công riêng. Hình 4.7 : Hình dạng của lỗ được gia công diện hoá bằng điện cực bọc PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 14 cách điện mặt bao quanh. a: Vật gia công b: Dung dịch diện phân c: Điện cực d: Lớp cách điện e: Hướng tiến điện cực - Trường hợp gia công lỗ có tiết diện thay đổi, thì không dùng được điện cực có vỏ cách điện. Ở đây khoảng cách điện cực phụ thuộc rất nhiều vào thông số hình học và các thông số khác, do đó trong thực tế không thể chuẩn bị trước một điện cực được tạo hình theo đúng kích thước và hình dáng của lỗ cần gia công. Bằng thực nghiệm người ta tạo hình điện cực phù hợp. Phương pháp này khá tốn kém, do đó chỉ có trong sản xuất hàng loạt thì mới có hiệu quả kinh tế. Điện cực không mòn, có thể dùng để gia công nhiều lần, độ chính xác của lỗ có thể đảm bảo được 0,02 mm. - Muốn bảo đảm đạt độ chính xác kích thước cao người ta thường lọc sạch dung dịch trong quá trình gia công. 3) Chất lượng bề mặt : - Độ bóng bề mặt khi gia công bằng điện hoá được hình thành rất tốt. Nếu tăng tốc độ tiến của diện cực và tăng cường độ dòng điện sẽ làm giảm độ nhấp nhô của bề mặt, như vậy độ bóng bề mặt rất tốt khi được gia công với công suất lớn. Đặc biệt là thép austenit. Với thép cacbon thì bề mặt thô hơn (Rmax = 5÷10 µ m). Bề mặt sau khi gia công có thể đánh bóng đạt Rmax
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 15 và mật độ dòng điện 800 A/cm2, loại thiết bị này có kích thước lớn và cứng vững, vì áp suất của dung dịch điện phân lên đến 10-24 atm, lực tác dụng lên bề mặt vô cùng lớn - Độ chính xác gia công lỗ rỗng là 0,02-0,03 mm, độ nhẵn bề mặt đạt Ramax = 0, 03 µ m. Một phạm vi ứng dụng đặc trưng là gia công lỗ nhỏ, từ 0,3 mm. - Phổ biến nhất là dùng gia công tạo hình không gian phức tạp bằng thép chịu nhiệt, chịu mài mòn và thép không rỉ. Ví dụ đặc trưng là gia công cánh tuabin. - Hai diện cực gia công với tốc độ tiến cực e = 0,18mm/phút, cùng tiến đồng thời, và việc gia công chỉ mất 5-10 phút. Trên máy mài thì thao tác này phải mất gần một giờ. - Một trường hợp ứng dụng đặc biệt là : điện cực gia công là một ống, được uốn theo qui định, tiến theo một hướng nhất định, để tạo hình mà không cần làm mòn hết cả khoảng thể tích vật liệu cần phải lấy đi. Điện cực là một ống có sẻ rãnh. Phương pháp này có thể gia công một cách chính xác những vật quay đối xứng (vật gia công quay hay điện cực quay), phương pháp này gọi là tiện mài bóng, ứng dụng rất thích hợp để gia công van hình cầu, các rãnh vành khăn . . . - Trong những năm gần đây, công nghệ điện hoá chiếm lĩnh việc gia công lỗ sâu, kích thước đường kính nhỏ, nhưng chỉ kinh tế trong sản xuất hàng loạt, đòi hỏi thiết bị có sản lượng lớn. - Công nghệ điện hoá ngày nay được áp dụng phổ biến ở các nước phương tây. Tuy nhiên cũng có nhược điểm là chi phí lớn cho điện cực, máy lớn có giá trị rất cao. Trường hợp gia công với sản lượng trung bình thì không đủ sức cạnh tranh với cắt gọt thông thường. 8. các phương pháp gia công điện hóa : 1) Mài điện hóa : - Mài điện hoá là dạng đặc biệt của phương pháp gia công điện hoá trong đó đá mài quay (catod) là một đĩa mài hình vành khăn dẫn điện có gắn các hạt kim cương, hoặc carbid silic hoặc cô ranh đông, được dùng đễ tăng cường sự hoà tan của bề mặt kim loại gia công (anod). Vật liệu dùng cho mài điện hoá là oxít nhôm và kim cương. Vật liệu kết dính hoặc là kim loại (cho hạt mài kim cương) hoặc là nhựa trộn với các hạt kim loại để tạo thành chất dẫn điện (cho oxít nhôm). Các hạt mài nhô ra từ đá mài tiếp xúc với chi tiết gia công hình thành nên khe hở trong mài điện hoá. Tác dụng cọ xát của những hạt mài của đĩa mài ngăn cản quá trình tự kiềm chế của anod. Dòng dung dịch điện phân đi qua khe hở giữa các hạt mài để thực hiện chức năng của nó. - Những hạt mài có hai nhiệm vụ song hành. Một mặt chúng là những hạt cách điện, và quyết định kích thước của khe hở (0,02-0,08 PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 16 mm), bảo đảm sự lưu thông của dung dịch điện phân và loại trừ khả năng bị ngắn mạch, mặc khác chúng đẩy ra khỏi dung dịch điện phân lượng vật liệu đã bị bóc đi và lớp còn bám trên vật gia công. Điều rất quan trọng là sự lấy phoi là kết quả của quá trình điện hoá, và tác dụng mài bóng ở đây chưa phải là quyết định. Hình 4.8 : Nguyên lý gia công mài điện hóa - Phương pháp có năng suất cao gấp 2 lần so với phương pháp mài thông thường. Có hai phương pháp mài bằng điện hóa : + Dùng đá mài dẫn điện. + Dùng đá mài trung tính (không dẫn điện). - Trong trường hợp thứ nhất người ta dùng đá mài dẫn điện. Năng suất gia công của phương pháp có thể đạt 1000 mm3/phút. Độ chính xác của kích thước gia công đạt cấp 2, còn độ bóng bề mặt gia công đạt cấp 7-8, đôi khi cấp 10-12 (khi lượng dư gia công 0,01-0,05 mm). Ưu điểm của phương pháp : có khả năng mài được bất kỳ kim loại nào, không phụ thuộc vào độ cứng hay độ dẻo và không có phóng điện hồ quang hay tia lửa điện. Nhược điểm của phương pháp : mật độ dòng điện lớn đòi hỏi phải có công suất nguồn điện lớn và tiêu hao chất điện phân lớn. Phương pháp này được dùng để mài rãnh thoát phoi trên các dụng cụ hợp kim cứng và mài nhiều loại chi tiết PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 17 Hình 4.9 : Sơ đồ mài điện hóa bằng đá mài trung tính. 1 - Đá mài không dẫn điện 2 - Chi tiết gia công (cực dương) 3 - Ống cực âm - Hình 4.9 là sơ đồ mài điện hoá bằng đá mài trung tính (đá mài không dẫn điện). Chất điện phân chảy qua ống 3 tới bề mặt của chi tiết 2. Đá mài trung tính 1 chỉ có nhiệm vụ tách những hạt nhỏ kim loại tạo ra do phản ứng điện hoá từ bề mặt chi tiếc gia công. Quá trình mài được tiến hành với chế độ sau đây : áp lực riêng của đá trong khoảng 0,5-5 kG/ cm2, mật độ dòng điện 0,5-1,2 a/cm2, tốc độ vòng của đá mài 20-30 m/giây. Độ chính xác của phương pháp đạt cấp 2 và độ bóng bề mặt đạt cấp 8-9. Phương pháp này được dùng chủ yếu để mài mặt ngoài và để mài khuôn lỗ. Phương pháp cũng có những ưu, nhược điểm như mài bằng đá dẫn điện, nhưng chi phí đá mài thấp hơn và không đòi hỏi phải có cường độ dòng điện mạnh. - Phương pháp mài bằng điện phân chủ yếu sử dụng để mài sắc hợp kim cứng. Hợp kim cứng là một hỗn hợp không đồng nhất, mà các thành phần có trạng thái khác nhau đối với quá trình điện hoá chất coban hoà tan và cho ra hai electron. Co – 2e- = Cc++ - Các loại carbid kim loại (WC, TiC) trước tiên hoà tan thành acid kim loại và chỉ sau đó mới hoà tan từ anod. WC + 4H2O – 8e- = WO3 + CO + 4H2 TiC + 3H2O – 6e- = TiO2 + CO + 3H2 - Tốc độ hoà tan của ba thành phần chính này khác nhau. Coban hoà PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 18 tan mạnh nhất, còn TiC thì hoà tan chậm nhất. - Cần có nguồn điện đặc biệt, vì sự dao động của điện áp và dòng điện ảnh hưởng rất lớn đến quá trình mài. Điện áp và cường độ dòng điện không được vượt quá trị số cực đại của điện áp và cường độ dòng điện. Như hình dưới đây cho thấy cần phải thay đổi như thế nào các thông số công nghệ khi tăng bề mặt gia công. Hình 4.10 : Đặc tính dòng điện – điện áp của quá trình mài bằng điện phân - Dùng một loại máy phát đặc biệt, với hệ thống phản hồi sự biến đổi điện áp và dòng điện để máy có thể tự điều chỉnh. Sơ đồ máy phát dùng cho mài điện phân T : Máy biến thế; E : Chỉnh lưu; R : Bộ phận điều chỉnh; PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 19 S : Các phần tử làm bằng phẳng sóng nhấp nhô. - Đặc điểm chung : + Năng suất cao. + Các thông số về chất lượng của bề mặt được mài : Độ bóng bề mặt khi mài bằng điện phân rất tốt. Độ nhám có thể đạt tới Ra = 0,04 µ m. Hiện tượng điện hoá đóng vai trò chính yếu. Do đó trên bề mặt gia công không có những đường gân nằm theo hướng tiến của điện cực gia công. Các hạt trên bề mặt vẫn còn nguyên. Độ bóng rất ít phụ thuộc vào độ lớn của hạt mài. + Các thông số khác của lớp bề mặt giống như ở trường hợp gia công điện hoá. Ở đây không có tổn hao nhiệt nhiều, cũng không có biến đổi trong cấu trúc tế vi và cũng không thấy có hiện tượng hóa cứng bề mặt cũng như không có ứng suất dư bên trong. Do không có ứng suất dư, nên điều này rất thuận lợi cho việc gia công hợp kim cứng, có thể tránh được hiện tượng rạn nứt khi mài. + Đá mòn tương đối nhiều, trung bình khoảng 10÷15 % thể tích kim loại bị tách ra khỏi vật gia công. + Mật độ dòng điện trên mặt gia công thấp và do không cò sự tiếp xúc của kim loại với nhau nên ít bị đốt nóng và đốt cháy. + Điện áp thấp. + Độ chính xác về hình dáng hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác của đĩa mài. Thông thường người ta áp chặt vật gia công vào mặt đầu của đĩa, nhờ có bàn toạ độ mà có thể làm chuyển động vật gia công, và bảo đảm độ chính xác gia công là 0,01 mm. - Phạm vi ứng dụng và tính kinh tế : + Phương pháp mài bằng điện phân chủ yếu ứng dụng mài sắc các dụng cụ bằng hợp kim cứng, thỉnh thoảng chúng ta thấy ứng dụng trong mài mặt đầu, mặt phẳng hoặc mặt bao quanh có vật liệu bằng vật liệu khó cắt gọt. Gần đây người ta đang thử nghiệm thành công việc mài khuôn mặt trụ trong bằng mài điện phân. + Năng suất mài bằng điện phân hợp kim cứng cao hơn nhiều lần so với mài thông thường. Hình sau so sánh giữa mài thông thường mài kim cương và mài điện phân về độ bóng bề mặt và năng suất lấy phoi. + Nó cũng có nhược điểm là thiết bị đắt tiền hơn, tuy nhiên nhìn tổng hợp thì ưu điểm vẫn trội hơn. Đây là phương pháp tiên tiến hàng đầu để mài sắc dụng cụ từ hợp kim cứng rẻ nhất và chất lượng cao nhất. + Sử dụng trong phương pháp mài khôn điện hóa, mact dù giá thành thiết bị cao nhưng phương pháp gia công này nhanh gấp 5 lần phương pháp mài khôn truyền thống, và được sử dụng chủ yếu trong gia công hoàn tất bề PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4
TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KYÕ THUAÄT CAO THAÉNG 20 mặt trong của xilanh. 2) Đánh bóng điện hóa : - Là phương pháp bổ sung cho gia công điện hóa. Mục đích của đánh bóng điện hóa không phải là lấy phoi mà là đánh bóng bề mặt. Tất nhiên có lấy đi một chút ít nguyên liệu. Khác với các phương pháp gia công điện hóa khác, ở đây khoảng cách điện cực lớn hơn, hình dáng của vật liệu gia công sẽ không hình thành giống như của điện cực làm dụng cụ gia công, điện cực không chuyển động trong quá trình gia công, mật độ di chuyển của dòng điện thấp hơn và tốc độ di chuyển của chất điện phân thấp hơn nhiều, tốc độ bóc vật liệu cũng giảm. - Trong phương pháp đánh bóng điện hoá vật gia công (anod) và điện cực dương (catod) được nhúng vào dung dịch một cách độc lập nhau. Khi có dòng điện đi qua thì sự hoà tan anod bắt đầu, dòng điện tập trung ở những điểm nhô lên, còn chổ lõm là màn muối mỏng từ dung dịch điện phân tách ra - Nguyên lý đánh bóng điện hóa : Chi tiết gia công 2 được đặt trong bể chứa chất điện phân 1. Khi nối nguồn điện 5 với dụng cụ 3 và chi tiết gia công 2, đỉnh và đáy nhấp nhô 4, 6 dần dần được san phẳng. Ta thấy các đường lực do điện cực tạo ra đều tập trung hướng vào các đỉnh nhấp nhô 4, do đó các đỉnh này được san phẳng nhanh hơn các đáy 6. Độ bóng bề mặt gia công có thể đạt cấp 12-13. Hình 4.14 : Sơ đồ đánh bóng điện hóa. 1) Chất điện phân PHÖÔNG PHAÙP GIA COÂNG MÔÙI TOÅ 4